CN107741399A - 一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置 - Google Patents

一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置 Download PDF

Info

Publication number
CN107741399A
CN107741399A CN201710797638.6A CN201710797638A CN107741399A CN 107741399 A CN107741399 A CN 107741399A CN 201710797638 A CN201710797638 A CN 201710797638A CN 107741399 A CN107741399 A CN 107741399A
Authority
CN
China
Prior art keywords
photodetector
optical fiber
hydrogen
light
detection means
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710797638.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107741399B (zh
Inventor
代吉祥
杨明红
王高鹏
向峰
秦玉寰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University of Technology WUT
Original Assignee
Wuhan University of Technology WUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University of Technology WUT filed Critical Wuhan University of Technology WUT
Priority to CN201710797638.6A priority Critical patent/CN107741399B/zh
Publication of CN107741399A publication Critical patent/CN107741399A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107741399B publication Critical patent/CN107741399B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)

Abstract

本发明提供一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，包括光源、光纤分路器、光环行器、光缆、氢气敏感传感探头、第一光电探测器、第二光电探测器和数据显示处理系统；其中，光源发出的光由光纤分路器分为2路，第一路光作为参考光经过第一光电探测器后输入至数据显示处理系统，第二路光作为传感光经过光环行器、光缆到达氢气敏感传感探头后返回再从光环行器经第二光电探测器输入至数据显示处理系统；所述的数据显示处理系统用于根据第一光电探测器和第二光电探测器传输的电流进行处理比较，采用电流比值法得到氢气浓度。本发明采用比值法计算氢气浓度，采用光电探测器替代光纤光栅解调模块，具有较好的可靠性和稳定性。

Description

一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置
技术领域
本发明属于光纤传感技术，材料科学以及光电子技术的交叉领域，涉及到功能材料制备和光电检测技术，具体涉及一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置。
背景技术
氢能源是一种重要的清洁能源和化工原料，在航空航天、燃料电池、合成氨工业具有重要应用；另外在石油化工、核电冷却系统和电力变压器等设施也会产生一定量的氢气。由于氢气具有易燃易爆以及无色无味等特性，在泄漏后难以察觉，在空气中氢气的浓度超过一定浓度时就极有可能导致爆炸事故，因此安全检测氢气浓度在这些领域至关重要。
传统的电化学传感器采用电缆和电信号作为传输媒介，因而仍然具有潜在爆炸的危险；另外传感探头工作温度过高，导致传感器对其他可燃性气体具有交叉敏感的可能性，因此传统的电化学传感器在这些领域或设施难以满足安全监测氢气浓度的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，具有较好的可靠性和稳定性，能够实现氢气浓度的安全监测。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，其特征在于：它包括光源、光纤分路器、光环行器、光缆、氢气敏感传感探头、第一光电探测器、第二光电探测器和数据显示处理系统；其中，光源发出的光由光纤分路器分为2路，第一路光作为参考光经过第一光电探测器后输入至数据显示处理系统，第二路光作为传感光经过光环行器、光缆到达氢气敏感传感探头后返回再从光环行器经第二光电探测器输入至数据显示处理系统；所述的数据显示处理系统用于根据第一光电探测器和第二光电探测器传输的电流进行处理比较，采用电流比值法得到氢气浓度。
按上述方案，所述的光纤分路器将参考光和传感光的光强分光比设置在0.05~1之间。
按上述方案，所述的氢气敏感传感探头包括与所述的光缆连接的单模光纤，单模光纤的端部附有氢气敏感膜，单模光纤外套有多孔保护管，多孔保护管端部通过环氧树脂与单模光纤密封连接。
按上述方案，所述的氢气敏感膜为PTFE（聚四氟乙烯）-Pt-Pd/Mg复合膜或PTFE-Pt-Pd-Hf复合膜。
按上述方案，所述的PTFE-Pt-Pd/Mg复合膜通过以下方式沉积在单模光纤端部：采用磁控溅射方法在单模光纤端面沉积Pd/Mg，然后沉积Pt膜，最后溅射PTFE膜作为表面保护层；其中：Pd/Mg膜中Pd和Mg元素的含量比在1~20之间。
按上述方案，所述的PTFE-Pt-Pd-Hf复合膜通过以下方式沉积在单模光纤端部：依次溅射Hf、Pd、Pt和PTFE， PTFE膜作为表面保护层；Pd-Hf膜为纯Pd和纯Hf膜。
按上述方案，所述的Pd/Mg膜的厚度5~100nm之间；Pt膜的厚度在1~10nm之间；PTFE膜厚度在5~200nm之间。
PTFE-Pt-Pd-Hf复合膜中， Pd的厚度在2~20nm之间，Hf的厚度在10~80nm之间。
按上述方案，所述的光源为1550nm ASE光源、可见光光源或可调激光光源，光源功率范围为1-20毫瓦。
按上述方案，所述的第一光电探测器和第二光电探测器均为InGaSn光电探测器，线性工作区在0.5~10毫瓦之间。
本发明的有益效果为：
1、采用比值法计算氢气浓度，可以减小光源波动的影响，从而提高传感系统的稳定性；光信号的转换采用2个光电探测器，相对于光纤光栅解调模块具有明显的成本优势，并且功耗更低，具有体积小和便于携带等优点，更适合于易燃易爆场合和野外环境中，具有成本低和实用性强的优点。
2、氢气敏感传感探头采用PTFE-Pt-Pd/Mg复合薄膜或PTFE-Pt-Pd-Hf复合薄膜，Pd/Mg或Pd-Hf具有较好的选择性、Pt具有抗氧化性和PTFE的憎水性保证了传感探头的可靠性、抗氧化能力和抗湿度干扰能力，从而提高传感探头的稳定性。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为传感探头的结构示意图。
图3为本发明一实施例的氢气响应曲线。
图中：1. 光源， 2. 光纤分路器， 3.光环形器，4. 光缆，5. 氢气敏感传感探头，6. 第一光电探测器，7. 数据处理及显示系统， 8. 第二光电探测器， 9. 多孔保护套，10. 单模光纤，11. 环氧树脂， 12. 氢气敏感膜。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明作进一步说明。
本发明提供一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，如图1所示，它包括光源1、光纤分路器2、光环行器3、光缆4、氢气敏感传感探头5、第一光电探测器6、第二光电探测器8和数据显示处理系统7；其中，光源1发出的光由光纤分路器2分为2路，第一路光作为参考光经过第一光电探测器6后输入至数据显示处理系统7，第二路光作为传感光经过光环行器3、光缆4到达氢气敏感传感探头5后返回再从光环行器3经第二光电探测器8输入至数据显示处理系统7；所述的数据显示处理系统7用于根据第一光电探测器6和第二光电探测器8传输的电流进行处理比较，采用电流比值法得到氢气浓度。
所述的光纤分路器将参考光和传感光的光强分光比设置在0.05~1之间。
如图2所示，所述的氢气敏感传感探头5包括与所述的光缆4连接的单模光纤10，单模光纤10的端部附有氢气敏感膜12，单模光纤10外套有多孔保护管9，多孔保护管9端部通过环氧树脂11与单模光纤10密封连接。
优选的，所述的氢气敏感膜12为PTFE-Pt-Pd/Mg复合薄膜或PTFE-Pt-Pd-Hf复合薄膜。PTFE-Pt-Pd/Mg复合膜通过以下方式沉积在单模光纤端部：采用磁控溅射方法在单模光纤端面沉积Pd/Mg膜，然后沉积Pt膜，最后溅射PTFE膜作为表面保护层；其中Pd/Mg膜中Pd和Mg元素的含量比在1~20之间，Pd/Mg膜的厚度5~100nm之间，Pt膜的厚度在1~10nm之间，PTFE膜厚度在5~200nm之间。PTFE-Pt-Pd-Hf复合薄膜采用磁控溅射技术依次溅射Hf、Pd、Pt和PTFE薄膜，Hf膜的厚度在10~80nm之间，Pd膜厚度在2~20nm之间，Pt膜的厚度在1~10nm之间，PTFE膜厚度在5~200nm之间。
进一步的，所述的光源1为1550nm ASE光源、可见光光源或可调激光光源，光源功率范围为1~20毫瓦。
再进一步的，所述的第一光电探测器和第二光电探测器均为InGaSn光电探测器，线性工作区在0.5~10毫瓦之间。
如图3所示，本实施例对2%的甲烷没有响应，证明较好的选择性；但是对160ppm氢气具有较好的响应和重复性，并且在不同的氢气下比值增加非常明显，该图证明采用PTFE-Pt-Pd/Mg复合薄膜以大幅提高传感探头的可靠性和抗干挠能力，从而提高检测装置的稳定性。采用PTFE-Pt-Pd-Hf复合薄膜作为氢敏薄膜也可以达到同样的效果。
本发明提供的上述基于光电探测器的光纤氢气检测装置，可用于监测氢气储存容器、石油裂解设施、合成氨设施、核电站冷却系统或电力变压器的氢气浓度，在航空航天、石油化工和合成氨等领域中氢气安全检测中有着广泛的应用前景。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，其特征在于：它包括光源、光纤分路器、光环行器、光缆、氢气敏感传感探头、第一光电探测器、第二光电探测器和数据显示处理系统；其中，光源发出的光由光纤分路器分为2路，第一路光作为参考光经过第一光电探测器后输入至数据显示处理系统，第二路光作为传感光经过光环行器、光缆到达氢气敏感传感探头后返回再从光环行器经第二光电探测器输入至数据显示处理系统；所述的数据显示处理系统用于根据第一光电探测器和第二光电探测器传输的电流进行处理比较，采用电流比值法得到氢气浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，其特征在于：所述的光纤分路器将参考光和传感光的光强分光比设置在0.05~1之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，其特征在于：所述的氢气敏感传感探头包括与所述的光缆连接的单模光纤，单模光纤的端部附有氢气敏感膜，单模光纤外套有多孔保护管，多孔保护管端部通过环氧树脂与单模光纤密封连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，其特征在于：所述的氢气敏感膜为PTFE-Pt-Pd/Mg复合膜。
5.根据权利要求4所述的一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，其特征在于：所述的PTFE-Pt-Pd/Mg复合膜通过以下方式沉积在单模光纤端部：采用磁控溅射方法在单模光纤端面沉积Pd/Mg膜，然后沉积Pt膜，最后溅射PTFE膜作为表面保护层；
其中：Pd/Mg膜中Pd和Mg元素的含量比在1~20之间。
6.根据权利要求5所述的一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，其特征在于：所述的Pd/Mg膜的厚度5~100nm之间，Pt膜的厚度在1~10nm之间，PTFE膜厚度在5~200nm之间。
7.根据权利要求3所述的一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，其特征在于：所述的氢气敏感膜为PTFE-Pt-Pd-Hf复合膜，其中Pd的厚度在2~20nm之间，Hf的厚度在10~80nm之间。
8.根据权利要求1所述的一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，其特征在于：所述的光源为1550nm ASE光源、可见光光源或可调激光光源，光源功率范围为1-20毫瓦。
9.根据权利要求1所述的一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，其特征在于：所述的第一光电探测器和第二光电探测器均为InGaSn光电探测器，线性工作区在0.5~10毫瓦之间。
CN201710797638.6A 2017-09-06 2017-09-06 一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置 Active CN107741399B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710797638.6A CN107741399B (zh) 2017-09-06 2017-09-06 一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710797638.6A CN107741399B (zh) 2017-09-06 2017-09-06 一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107741399A true CN107741399A (zh) 2018-02-27
CN107741399B CN107741399B (zh) 2020-06-02

Family

ID=61235472

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710797638.6A Active CN107741399B (zh) 2017-09-06 2017-09-06 一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107741399B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108489901A (zh) * 2018-03-29 2018-09-04 武汉理工大学 基于新型氢敏薄膜的光纤氢气检测系统
CN108548547A (zh) * 2018-03-29 2018-09-18 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于石油储罐泄漏监测的光纤氧气传感器
CN108548644A (zh) * 2018-03-29 2018-09-18 中国科学院合肥物质科学研究院 一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置
CN108717042A (zh) * 2018-05-28 2018-10-30 北京航空航天大学 一种全保偏反射式氢气浓度检测装置
CN111257286A (zh) * 2020-01-17 2020-06-09 武汉理工大学 基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置
CN112748090A (zh) * 2020-12-25 2021-05-04 武汉理工大学 氢气湿度一体化传感器及基于自参考技术的氢气湿度检测装置和应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104390916A (zh) * 2014-12-11 2015-03-04 广东电网有限责任公司电力科学研究院 一种高灵敏纯钯型布喇格氢气传感器及其制作方法
CN104897577A (zh) * 2015-06-08 2015-09-09 武汉理工大学 基于光加热的光纤氢气检测装置
US20160054286A1 (en) * 2014-08-19 2016-02-25 Abb Technology Ag Hydrogen sensor, hydrogen detection system employing the same, and electrical device with a hydrogen detection system
WO2016184792A1 (en) * 2015-05-18 2016-11-24 Abb Technology Ag Optical sensing system for determining hydrogen

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160054286A1 (en) * 2014-08-19 2016-02-25 Abb Technology Ag Hydrogen sensor, hydrogen detection system employing the same, and electrical device with a hydrogen detection system
CN104390916A (zh) * 2014-12-11 2015-03-04 广东电网有限责任公司电力科学研究院 一种高灵敏纯钯型布喇格氢气传感器及其制作方法
WO2016184792A1 (en) * 2015-05-18 2016-11-24 Abb Technology Ag Optical sensing system for determining hydrogen
CN104897577A (zh) * 2015-06-08 2015-09-09 武汉理工大学 基于光加热的光纤氢气检测装置

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C. BOELSMA1 等: "Hafnium-an optical hydrogen sensor spanning six orders in pressure", 《NATURE COMMUNICATIONS》 *
M. PASTUREL 等: "Hydrogen absorption kinetics and optical properties of Pd-doped Mg thin films", 《JOURNAL OF APPLIED PHYSICS》 *
MICHAEL A BUTLER: "Micromirror optical-fiber hydrogen sensor", 《SENSORS AND ACTUATORS B》 *
林江: "光纤甲烷气体传感研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108489901A (zh) * 2018-03-29 2018-09-04 武汉理工大学 基于新型氢敏薄膜的光纤氢气检测系统
CN108548547A (zh) * 2018-03-29 2018-09-18 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于石油储罐泄漏监测的光纤氧气传感器
CN108548644A (zh) * 2018-03-29 2018-09-18 中国科学院合肥物质科学研究院 一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置
CN108717042A (zh) * 2018-05-28 2018-10-30 北京航空航天大学 一种全保偏反射式氢气浓度检测装置
CN108717042B (zh) * 2018-05-28 2020-08-21 北京航空航天大学 一种全保偏反射式氢气浓度检测装置
CN111257286A (zh) * 2020-01-17 2020-06-09 武汉理工大学 基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置
CN111257286B (zh) * 2020-01-17 2021-06-04 武汉理工大学 基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置
CN112748090A (zh) * 2020-12-25 2021-05-04 武汉理工大学 氢气湿度一体化传感器及基于自参考技术的氢气湿度检测装置和应用
CN112748090B (zh) * 2020-12-25 2024-03-26 武汉理工大学 氢气湿度一体化传感器及基于自参考技术的氢气湿度检测装置和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN107741399B (zh) 2020-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107741399A (zh) 一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置
Wang et al. Coherent Φ-OTDR based on I/Q demodulation and homodyne detection
Su et al. Fiber optic sensing technologies for battery management systems and energy storage applications
Ma et al. Optical sensors for power transformer monitoring: A review
EP3183570B1 (en) Hydrogen sensor having a protection layer
Van Putten et al. 100-km-sensing-range single-ended distributed vibration sensor based on remotely pumped Erbium-doped fiber amplifier
CN108489901B (zh) 基于新型氢敏薄膜的光纤氢气检测系统
Coelho et al. Fiber optic hydrogen sensor based on an etched Bragg grating coated with palladium
CN106323915B (zh) 一种基于光纤m-z干涉仪检测硫化氢气体的装置
CN103335958B (zh) 一种低温环境下快速响应的可复用光纤氢传感器
Karanja et al. Micro-structured femtosecond laser assisted FBG hydrogen sensor
CN110726697A (zh) 基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器
Li et al. Slope-assisted Raman distributed optical fiber sensing
Zhang et al. Photonic sensors review progress of optical fiber sensors and its application in harsh environment
CN103823125A (zh) 一种基于细芯光纤和磁流体的电场传感器
CN101936879A (zh) 一种基于马赫曾德干涉仪的光声光谱气体检测系统
Yu et al. Fiber-optic Fabry-Perot hydrogen sensor coated with Pd-Y film
CN201749080U (zh) 基于分布反馈光纤激光器的光声光谱气体检测系统
Fisser et al. Development of hydrogen sensors based on fiber Bragg grating with a palladium foil for online dissolved gas analysis in transformers
CN101936878B (zh) 基于分布反馈光纤激光器的光声光谱气体检测系统
Wang et al. High-sensitivity distributed relative salinity sensor based on frequency-scanning φ-OTDR
Saad et al. Hydrogen FBG sensor using Pd/Ag film with application in propulsion system fuel tank model of aerospace vehicle
CN102680140A (zh) 一种基于光纤光栅温度传感器的易燃易爆物品温度检测方法
Yin et al. An all-fiber partial discharge monitoring system based on both intrinsic fiber optic interferometry sensor and fluorescent fiber
Arioka et al. Reduction in differential phase noise of distributed acoustic sensing with bidirectional amplifier

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant